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    ECC-混凝土黏結(jié)界面斷裂試驗(yàn)研究

    2015-11-28 08:40:30余江滔許萬里張遠(yuǎn)淼
    建筑材料學(xué)報(bào) 2015年6期
    關(guān)鍵詞:韌度粗糙度試件

    余江滔,許萬里,張遠(yuǎn)淼

    (同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092)

    超高韌性水泥基復(fù)合材料(ECC)[1]作為一種新型材料備受關(guān)注.與傳統(tǒng)的剛性建筑材料相比,雖然ECC的彈性模量較低,但有較強(qiáng)的變形能力,具有類似金屬材料的拉伸強(qiáng)化特征,其極限拉應(yīng)變可達(dá)3%以上;與傳統(tǒng)水泥基材料在軸向拉力下單一裂紋的宏觀開裂模式不同,ECC 材料為多條細(xì)密裂紋的微觀開裂模式,具有優(yōu)越的裂縫分散能力;使用ECC的結(jié)構(gòu)除了具有抗坍塌能力,還具有高損傷承受能力,遭受地震破壞后的殘余裂縫寬度很小,能夠極大減少地震后的修補(bǔ)費(fèi)用.作為修復(fù)材料應(yīng)具有較低的起裂韌度、隨著裂縫在修復(fù)材料中的擴(kuò)展其裂縫擴(kuò)展阻力迅速提高的特點(diǎn).ECC 材料正好滿足這2個(gè)條件.用ECC 修復(fù)混凝土?xí)r,在一定的加載條件下,ECC-混凝土的界面裂縫符合偏折、擴(kuò)展、捕捉、界面裂縫繼續(xù)發(fā)展的規(guī)律,而且ECC 具有延性好、耗能大、可控制裂縫寬度等特點(diǎn),使被加固的混凝土不會(huì)破壞.

    Li和Lim[2-3]通過對(duì)稱與反對(duì)稱四點(diǎn)彎曲梁試件進(jìn)行了ECC-混凝土裂縫界面的斷裂試驗(yàn),計(jì)算了不同相位角下黏結(jié)界面斷裂韌性、相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力與相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力,重點(diǎn)研究了界面裂縫捕捉的條件,結(jié)果表明,界面裂縫捕捉與相位角密切相關(guān).此外,Kamada等[4]采用四點(diǎn)彎曲梁討論了黏結(jié)界面的粗糙程度對(duì)混凝土罩面層裂縫捕捉的影響,試驗(yàn)表明,光滑黏結(jié)的試件能表現(xiàn)出更好的應(yīng)變硬化效果,會(huì)產(chǎn)生多次裂縫偏折現(xiàn)象.王楠等[5]通過ECC與既有混凝土黏結(jié)試件的劈拉和剪切試驗(yàn)表明:黏結(jié)強(qiáng)度(黏結(jié)劈拉強(qiáng)度、黏結(jié)剪切強(qiáng)度)隨既有混凝土黏結(jié)面粗糙度的提高而增大.需要特別指出是,適當(dāng)?shù)脑嚰叽绾图虞d方式能使ECC-混凝土黏結(jié)界面處于某種受力環(huán)境(比如相位角>41°),正好可以滿足裂縫發(fā)生偏折的條件.在實(shí)現(xiàn)裂縫的偏折-捕捉-界面發(fā)展-偏折過程中,ECC-混凝土的黏結(jié)界面越光滑,就越能發(fā)揮ECC的優(yōu)勢(shì).當(dāng)ECC 用于修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),其黏結(jié)界面的位置和受力狀況不能保證界面裂縫發(fā)生偏折并實(shí)現(xiàn)ECC 對(duì)裂縫的控制與捕捉,在這種情況下,界面的粗糙度將會(huì)影響?zhàn)そY(jié)界面強(qiáng)度,進(jìn)而會(huì)影響整個(gè)黏結(jié)體系的性能,所以有必要對(duì)ECC-混凝土黏結(jié)界面的粗糙度和處理措施進(jìn)行詳細(xì)討論.

    關(guān)于黏結(jié)界面的性能測(cè)試方法,目前主要分為2類:黏結(jié)測(cè)試與斷裂測(cè)試.前者可以得到黏結(jié)界面的強(qiáng)度指標(biāo),比如受拉、受壓、受剪強(qiáng)度最大值,但只能用來區(qū)別不同的黏結(jié)體系,不能真正反映黏結(jié)界面的斷裂過程;后者能夠得到裂縫在黏結(jié)界面偏向和發(fā)展的規(guī)律,從而揭示黏結(jié)界面的斷裂機(jī)理.本文采用楔入劈拉法研究粗糙度對(duì)ECC-混凝土黏結(jié)界面性能的影響,以期為ECC在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考.

    1 雙材料界面裂縫分析

    對(duì)于雙材料楔入劈拉試驗(yàn),需要采用截面斷裂力學(xué)進(jìn)行分析[6].圖1為雙材料楔入劈拉試件與界面裂縫偏折示意圖.材料1(混凝土)在上,材料2(ECC)在下,其剪切模量、彈性模量與泊松比分別為Gi,Ei,μi(i=1,2),在材料2中,有1條偏折裂縫,長(zhǎng)度為a,偏折角度為Ω.

    對(duì)于ECC-混凝土體系,Dundurs參數(shù)α,β 分別為:

    圖1 雙材料楔入劈拉試件與界面裂縫偏折示意圖Fig.1 Diagrams for the specimens for bi-material WST and the kinking of an interface crack

    對(duì)于界面裂縫,當(dāng)滿足式(3)時(shí),會(huì)發(fā)生如圖1(b)所示的偏折.

    式中:Γi()為界面斷裂韌度,是混合度的函數(shù);Γs為基材斷裂韌度;G 為界面裂縫能量釋放率;為偏折裂縫最大能量釋放率.

    雙材料試件的混合度可用式(4)進(jìn)行計(jì)算.

    式中:ψ 為相位角;ε為振蕩因子;L 為試件尺寸.

    振蕩因子可表達(dá)為:

    為了簡(jiǎn)化計(jì)算,通常取β=0,即ε=0,則相位角為:

    式中:KⅠ,KⅡ?yàn)槠哿芽p所在材料的強(qiáng)度因子;ω*為偏折角.

    界面斷裂韌度Γ(ψ)與相位角的關(guān)系[7-8]為:

    式中:Γ(0°)表示相位角為0°時(shí)的界面斷裂韌度.

    對(duì)于楔入劈拉試件,ψ=ω*,ω*為α,β 的函數(shù),其關(guān)系如圖3所示[9].

    2 雙材料試件設(shè)計(jì)及楔入劈拉試驗(yàn)

    雙材料楔入劈拉試件左半邊為ECC 材料,右半邊為混凝土材料(見圖4(a)).在澆筑過程中,先澆筑混凝土試件,待養(yǎng)護(hù)完成后,對(duì)其用于黏結(jié)的一面先進(jìn)行粗糙化處理,再放入模具中,水平澆筑另外半邊的ECC材料,養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn).

    水泥為42.5普通硅酸鹽水泥,沙子為細(xì)沙,水為普通自來水.混凝土采用C30商品混凝土同批次澆筑,其配合比為m(水泥)∶m(沙子)∶m(碎石)∶m(水)=1.00∶1.67∶2.85∶0.53.混凝土拌和、澆注時(shí)采用插式振搗器振搗,室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28d.ECC材料采用文獻(xiàn)[10]的配合比,并按照一定攪拌順序進(jìn)行攪拌澆筑.本文共制備5組試件(見表1):1組混凝土楔入劈拉試件,1組ECC楔入劈拉試件,3組不同粗糙度雙材料楔入劈拉試件.在ECC 楔入劈拉試件與不同粗糙度楔入劈拉試件中,均制備了1組無纖維純水泥漿試件,以研究纖維材料對(duì)黏結(jié)界面性能的影響.粗糙黏結(jié)面試件分最粗糙面、次粗糙面、光滑面3種.最粗糙面,即自然斷開面,用試驗(yàn)機(jī)將既有混凝土試塊從中間劈開,取其斷裂面作為黏結(jié)面,并除去斷面松動(dòng)和開裂等不穩(wěn)定部位;次粗糙面由既有混凝土斷裂面經(jīng)砂輪適當(dāng)打磨制成;光滑面由既有混凝土自然澆筑面經(jīng)鋼絲刷刷毛后除去表層浮漿制成.

    圖4 雙材料楔入劈拉試件尺寸及加載示意圖Fig.4 Loading and the dimensions of specimens for WST(size:mm)

    采用1 000kN 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn),加載示意圖如圖4(b)所示,由動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù).劈拉試驗(yàn)中,在預(yù)制裂縫開口處及預(yù)制裂縫尖端安裝量程為10mm 的夾式引伸計(jì),以測(cè)量試件的裂縫開口位移(CMOD).在混凝土試件試驗(yàn)中,先以荷載控制加載,加載速率為20N/s,目標(biāo)值為2 000N,然后以位移控制加載,加載速率為0.15mm/min,至試驗(yàn)結(jié)束;在ECC 試件試驗(yàn)中,同樣先以荷載控制加載,加載速率為20N/s,目標(biāo)值為2 000N,然后以位移控制加載,加載速率為0.20mm/min,至試驗(yàn)結(jié)束;在雙材料試件試驗(yàn)中,以荷載控制的加載速率為10 N/s,目標(biāo)值為1 000N,以位移控制的加載速率為0.10mm/min,至試驗(yàn)結(jié)束.

    表1 楔入劈拉試件編號(hào)Table 1 Specimens code used during wedge splitting test

    3 楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果分析

    3.1 單材料的楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果

    在ECC試件的加載過程中,其預(yù)制裂縫的尖端處有多條細(xì)密裂縫平行發(fā)展(見圖5(a)),隨著水平荷載的加大,細(xì)密裂縫逐漸匯集成主裂縫,而附近的細(xì)密裂縫趨于閉合,且整個(gè)開裂過程伴隨纖維斷裂聲.可以看出,ECC 試件的斷面上纖維密集、均勻.混凝土試件在加載階段,沿預(yù)制裂縫處有1條細(xì)微裂縫向下發(fā)展,荷載隨即下降,而后裂縫變寬,并繼續(xù)向下發(fā)展直至貫通.開裂裂縫基本豎直向下,沒有分叉裂縫.當(dāng)荷載變?yōu)?(試驗(yàn)結(jié)束)時(shí),試件沿預(yù)制裂縫方向完全劈開,劈裂面較為平整,且斷裂面上有數(shù)處骨料拉斷.對(duì)于沒有纖維的純水泥漿試件(無纖維材料的ECC試件),其破壞過程與混凝土試件相同,只是脆性特征更為明顯.由ECC 及混凝土試件的p-CMOD曲線(見圖6)可見,ECC 材料的彈性模量小于混凝土的彈性模量;ECC,混凝土與純水泥漿試件的峰值荷載分別約為12,9,4kN;ECC 試件在峰值荷載后,仍有較好的延性,在CMOD 不斷增大時(shí),其承載力基本保持不變,而混凝土、純水泥漿試件在峰值荷載后,承載力迅速下降,延性較差.

    3.2 雙材料楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果

    圖5 ECC試件多裂縫開裂模式及斷面照片F(xiàn)ig.5 Multiple-crack mode of ECC WST specimens and interface profile diagrams

    圖6 ECC及混凝土試件的p-CMOD曲線Fig.6 p-CMOD curves of ECC and concrete WST specimens

    雙材料楔入劈拉試件加載后,裂縫沿原有黏結(jié)界面開展,出現(xiàn)的單條裂縫隨著加載的進(jìn)行而逐漸變寬,達(dá)到峰值荷載后,CMOD 逐漸變大,荷載不斷下降.黏結(jié)面斷開后,破壞面上有纖維殘留,骨料與ECC的黏結(jié)界面完全脫開,表面光滑,這說明骨料與ECC的黏結(jié)界面是混凝土-ECC黏結(jié)界面的薄弱環(huán)節(jié).在不同粗糙度黏結(jié)面試件斷面上,纖維的殘余量不同,最粗糙面與次粗糙面試件的纖維殘余量較多,光滑面試件的纖維殘余量最少(見圖7).根據(jù)文獻(xiàn)[5]的分析可知,ECC與既有混凝土的黏結(jié)是由于ECC的基體填充至混凝土界面的空隙中,并滲透到界面下的混凝土后發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng),在混凝土的凸凹部、孔洞、裂縫等處,形成C-S-H 凝膠、C-H 晶體,從而產(chǎn)生機(jī)械咬合力、范德華力和界面化學(xué)作用力所致.ECC與既有混凝土的接觸面積和界面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定了兩者黏結(jié)面的整體宏觀力學(xué)性能,當(dāng)兩者間的接觸面積增大或界面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)得到改善時(shí),2種材料的黏結(jié)強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高.因此,黏結(jié)面的粗糙度越大,混凝土與ECC在界面處的物理、化學(xué)反應(yīng)就越充分,黏結(jié)強(qiáng)度就越大,裂縫偏向ECC的可能性就越大,導(dǎo)致纖維的殘余量也就越大.

    圖7 不同粗糙度黏結(jié)面試件的斷裂面Fig.7 Interface profile diagrams of WST specimens with different roughness interfaces

    圖8 不同粗糙度黏結(jié)面試件的p-CMOD曲線Fig.8 p-CMOD curves of WST specimens with different roughness interfaces

    圖8為不同粗糙度黏結(jié)面試件的p-CMOD 曲線.由圖8可見,由于黏結(jié)界面殘余纖維的存在,導(dǎo)致雙材料試件在達(dá)到極限荷載后,荷載并未迅速下降,而是隨著CMOD 的增大而緩慢減?。患兯酀{雙材料試件(NRR-2,NR-3)在達(dá)到極限荷載后,荷載明顯下降,其p-CMOD曲線與純水泥漿楔入劈拉試件(NECC-6)相同;而最光滑界面試件(NS-6)具有更低的p-CMOD曲線.

    表2 楔入劈拉法試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results from WSTs

    式中:B,D 分別為試件的厚度和高度;α 為相對(duì)縫長(zhǎng),α=ac/D,ac為臨界裂縫長(zhǎng)度;pmax為極限荷載.

    由表2可見,3 組粗糙度黏結(jié)面試件的峰值荷載平均值分別為4.16,4.04,2.37kN,斷裂韌度平均值分別為0.37,0.36,0.24MPa·m1/2,峰值荷載與斷裂韌度隨著界面粗糙度的降低而不斷減小,最粗糙面與次粗糙面試件的峰值荷載、斷裂韌度比較接近,而光滑面試件的這些參數(shù)下降較為明顯.經(jīng)計(jì)算,無纖維楔入劈拉試件(NECC-6)的峰值荷載與斷裂韌度分別為3.78kN,0.42MPa·m1/2,純水泥漿雙材料試件(NRR-2,NR-3,NS-6)的峰值荷載分別為3.80,3.78,2.43kN,斷裂韌度分別為0.34,0.34,0.22 MPa·m1/2.相比于混凝土試件與ECC試件,由于ECC與混凝土的黏結(jié)界面為兩者結(jié)合的薄弱區(qū),在荷載作用下,黏結(jié)界面開裂,很難實(shí)現(xiàn)界面裂縫的偏折及ECC對(duì)裂縫的捕捉,僅僅是黏結(jié)界面上殘余的纖維使界面破壞稍顯緩慢,并具有一定的延展性.

    3.3 裂縫偏折破壞與界面破壞分析

    參照文獻(xiàn)[12],根據(jù)楔入劈拉試驗(yàn)結(jié)果,由式(1)得α=0.26,按圖3 得ψ=10°,再按圖8 得G/=0.898,而ECC的斷裂韌度為0.42MPa·m1/2,則由式(3)得界面斷裂韌度Γi>0.38MPa·m1/2,這時(shí)界面裂縫將發(fā)生偏折.如果采用裂縫偏折判斷條件,并根據(jù)斷裂韌度(見表2)進(jìn)行判斷,則最粗糙與次粗糙界面試件的界面裂縫將會(huì)發(fā)生偏折,而光滑界面試件的界面裂縫將不會(huì)發(fā)生偏折,繼續(xù)沿黏結(jié)界面開展.但是,從界面破壞和偏折破壞的綜合評(píng)價(jià)看[13],當(dāng)裂縫有向較強(qiáng)材料(混凝土)一側(cè)偏折的傾向時(shí),由于先達(dá)到界面破壞準(zhǔn)則,將發(fā)生界面破壞;當(dāng)裂縫有向較弱材料(ECC)一側(cè)偏折的傾向時(shí),如果相位角較小(偏折破壞的角度較?。?,則先達(dá)到界面破壞準(zhǔn)則,產(chǎn)生界面破壞,如果相位角較大,則先達(dá)到偏折破壞準(zhǔn)則,將會(huì)發(fā)生偏折破壞.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)處于楔入劈拉對(duì)稱加載時(shí),最粗糙和次粗糙試件主要以骨料-ECC黏結(jié)界面破壞及小角度偏折界面破壞為主,而光滑試件主要以界面破壞為主,這也是本文中不同粗糙度黏結(jié)界面參數(shù)小于ECC 或混凝土參數(shù)的原因.

    3.4 界面粗糙度對(duì)界面裂縫偏折的影響

    對(duì)于給定的加載條件,界面韌性隨界面粗糙度的提高而增大,而對(duì)于給定的界面粗糙度,界面韌性明顯依賴于混合度,隨剪切分量的增大而增大[14].根據(jù)ECC與混凝土黏結(jié)機(jī)理及試驗(yàn)結(jié)果,可以認(rèn)為提高界面粗糙度將會(huì)提高界面的斷裂韌度Γ(0°).假設(shè)Γ(0°)1,Γ(0°)2,Γ(0°)3,Γ(0°)4,Γ(0°)5為不同界面粗糙度下相對(duì)應(yīng)的斷裂韌度,且滿足Γ(0°)1<Γ(0°)2<Γ(0°)3<Γ(0°)4<Γ(0°)5,可得到不同黏結(jié)界面的相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力與相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力曲線(見圖9).由圖9可見,Γ(0°)2,Γ(0°)3,Γ(0°)4的相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力曲線分別與相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力曲線相交,其交點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為ψ2,ψ3,ψ4,且ψ2>ψ3>ψ4,滿足界面裂縫偏折;Γ(0°)1,Γ(0°)5的相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力曲線分別位于相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力曲線的下面和上面,無交點(diǎn),這說明不管處于何種加載狀態(tài),裂縫始終沿界面開展,不會(huì)偏折.對(duì)于界面韌性為Γ(0°)2,Γ(0°)3,Γ(0°)4的試件,隨著界面韌性的提高,界面裂縫滿足偏折的相位角逐漸變小.換言之,當(dāng)提高黏結(jié)界面粗糙度時(shí),界面裂縫在加載過程中易于偏向ECC,可實(shí)現(xiàn)ECC的裂縫偏折與捕捉.另外,當(dāng)界面裂縫不滿足偏折條件時(shí),界面會(huì)出現(xiàn)破壞,此時(shí)提高黏結(jié)界面粗糙度,可以保證黏結(jié)界面有一定強(qiáng)度.這與試驗(yàn)結(jié)果相同.

    圖9 相對(duì)裂縫驅(qū)動(dòng)力、相對(duì)裂縫擴(kuò)展阻力與相位角的變化曲線Fig.9 Trend of the relative crack driving force and the relative crack expand resistance with the phase angle

    4 結(jié)論

    (1)在楔入劈拉試驗(yàn)中,最粗糙和次粗糙界面試件以骨料-ECC黏結(jié)界面破壞及小角度偏折界面破壞為主,光滑界面試件以界面破壞為主;破壞界面上的殘余纖維可使界面破壞稍顯緩慢.

    (2)3組粗糙度黏結(jié)面試件的峰值荷載平均值分別為4.16,4.04,2.37kN,斷裂韌度平均值分別為0.37,0.36,0.24MPa·m1/2,雙材料試件的峰值荷載與斷裂韌度隨界面粗糙度的降低而減小.

    (3)提高黏結(jié)界面粗糙度,界面裂縫在加載過程中易于偏向ECC,可實(shí)現(xiàn)ECC 的裂縫偏折與捕捉.另外,當(dāng)界面裂縫不滿足偏折條件時(shí),界面會(huì)出現(xiàn)破壞,此時(shí)提高黏結(jié)界面粗糙度,可以保證其強(qiáng)度有一定程度的提高.

    (4)當(dāng)黏結(jié)界面受力狀況不明確時(shí),應(yīng)盡量提高ECC-混凝土界面粗糙度.在實(shí)際工程應(yīng)用中,要合理設(shè)置ECC-混凝土黏結(jié)界面的位置,避免發(fā)生界面破壞,影響ECC效應(yīng)的發(fā)揮.

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